JP2008270331A - フィルムコンデンサ - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性が高い、複数のコンデンサ要素が直列に接続されたフィルムコンデンサを提供することを目的とする。
【解決手段】長さ方向に絶縁された複数個の電極層を片面に形成した２枚の誘電体フィルム１１、１２を重ね合わせて巻回することにより構成するとともに、一方の誘電体フィルム１１の電極層１３ａ、１３ｂ、１３ｃが他方の誘電体フィルム１２の電極層１４ａ、１４ｂと対向するように配置してコンデンサ要素を複数個直列に接続したフィルムコンデンサにおいて、中央部付近のコンデンサ要素を構成する電極幅Ｂ、Ｃが幅方向外側のコンデンサ要素を構成する電極幅Ａ、Ｄよりも広くなるように各電極層と各非金属部の幅を設定し、幅方向中央部付近のコンデンサ要素の静電容量を大きくして分担電圧を低くすることにより、中央部付近のコンデンサ要素の発熱を抑制して信頼性を向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高耐圧用のフィルムコンデンサに関するものである。

フィルムコンデンサはその耐電圧の向上のため、コンデンサ素子内部で複数のコンデンサ要素が直列に接続された回路構成としたいわゆる直列コンデンサが用いられている。

直列コンデンサの一例としてその断面図を図５に、等価回路図を図６に示している。

図５の直列コンデンサでは、帯状の誘電体フィルム５１の片面にその長さ方向に沿って互いに電気的に分離した複数の電極層５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、…を配列し、別の帯状の誘電体フィルム５３の片面に同様に複数の電極層５４ａ、５４ｂ、…が配列されている。

さらに、電極層５４ａが誘電体フィルム５１を挟んで互いに隣り合う電極層５２ａ、５２ｂと一部で重なり合うように、誘電体フィルム５１と５３を配置してロール状に巻回してフィルムコンデンサ素子を形成する。

そして、その巻回した中心端と外周端の各電極層よりそれぞれリード端子（図示せず）を導出してフィルムコンデンサとしている。

このような構成により、誘電体フィルム５１を挟んで各電極層間である５２ａと５４ａ、５４ｂと５２ｂ、…との間に図６に示すようにコンデンサ要素６５ａ、６５ｂ、６５ｃ、…がそれぞれ形成される。

また、誘電体フィルム５１、５３は巻回しているため、誘電体フィルム５３の下に誘電体フィルム５１が位置することになる。

したがって同様に誘電体フィルム５３を挟んで各電極層間の５２ａと５４ａ、５４ｂと５２ｂ、…の間にコンデンサ要素６６ａ、６６ｂ、６６Ｃ…がそれぞれ形成される。

等価回路的には、同じ電極組で誘電体フィルムが異なるコンデンサ要素６５ａと６６ａ、６５ｂと６６ｂ、…の２つずつが並列に接続され、電極組の異なるコンデンサ要素が複数個直列に接続された構成となる。

このように、コンデンサ要素が直列に接続されると、各コンデンサ要素にはリード端子間の電圧が分割された低い電圧がかかることになるので、その耐圧は高められることになる。

なお、本出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２０００−３５３６３７号公報

上記のような直列コンデンサでは、コンデンサ素子の幅方向に各コンデンサ要素が並んで、直列に接続された構成となっている。

このため、コンデンサ素子に電圧がかかった場合、コンデンサ素子の幅方向外側の６５ａ、６６ａのようなコンデンサ要素はコンデンサ素子側面から放熱できるため、通電したときの発熱温度は低く抑えられるが、コンデンサ素子の内部に位置する６５ｂ、６６ｂなどのコンデンサ要素は、周囲が熱伝導率の低い誘電体フィルム５１、５３で取り巻かれているため放熱しにくく、その結果外側のコンデンサ要素６５ａ、６６ａよりも発熱温度が高くなる。

発熱温度が高いコンデンサ要素は、発熱温度が低いコンデンサ要素に比べて劣化しやすく、したがって劣化しやすい中央部付近のコンデンサ要素が引き金となってコンデンサ素子全体の故障を起こすことがある。

このようにコンデンサ要素の故障は、コンデンサ素子の信頼性の低下という課題につながるため、極力このような課題を回避する設計が行われている。

そこで本発明は、コンデンサ素子の幅方向中央部付近のコンデンサ要素の発熱温度を低下させて、信頼性の高いフィルムコンデンサを提供することを目的とする。

そしてこの目的を達成するために、本発明のフィルムコンデンサは、長尺状の誘電体フィルムの表面に、長手方向に絶縁された複数の電極層を蒸着した金属化フィルムを巻回または積層して、複数のコンデンサ要素が直列に接続されたフィルムコンデンサにおいて、前記誘電体フィルムの幅方向中央部付近のコンデンサ要素を構成する電極幅が幅方向外側のコンデンサ要素を構成する電極幅よりも広いことを特徴とするフィルムコンデンサである。

放熱しにくい幅方向中央部付近のコンデンサ要素を構成する電極幅を広くして静電容量を大きくすることにより、このコンデンサ要素にかかる電圧（分担電圧）が低減されるので、発熱温度が抑えられ、その結果コンデンサ素子中央部付近のコンデンサ要素の劣化が防止されるため、信頼性の高いコンデンサを得ることができる。

以下、本発明のフィルムコンデンサについて、一実施の形態および図面を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１は本実施の形態のフィルムコンデンサの部分断面図、図２はその展開斜視図である。

図３は両面蒸着金属化フィルムを用いた場合の本実施の形態の別の例を示す部分断面図、図４は図１に示したフィルムコンデンサの等価回路図である。

図１、図２に示すように、誘電体フィルム１１には長さ方向に絶縁された一方の電極層１３ａ、１３ｂ、１３ｃを形成し、また誘電体フィルム１２には、他方の電極層１４ａ、１４ｂを形成している。

これらの電極層は、誘電体フィルムの長さ方向に連続した状態で設けられている。

そして誘電体フィルム１１の電極層１３aと１３ｂの間、および電極層１３ｂと１３ｃの間には、長さ方向に連続した電極層がない非金属部１５が設けられ、各電極層は互いに絶縁されている。

同様に、誘電体フィルム１２の端部には電極引出部１８と接触しないように、非金属部１６を設け、電極層１４ａと１４ｂの間にも非金属部１７を設けている。

そしてこの誘電体フィルム１１、１２を重ね合わせて巻回することにより、一方の電極層１３ａ〜１３ｃが他方の電極層１４ａ、１４ｂと誘電体フィルム１１を介して対向するように配置され、これらの電極層が対向する部分に誘電体フィルム１１を誘電体とするコンデンサ要素が複数個直列に接続されることになる。

この電極層が誘電体フィルムを挟んで対向する部分はコンデンサ要素の静電容量を決定する部分であるが、電極層は誘電体フィルムの長さ方向に連続して設けられており、この幅により静電容量が決まる。

このため、この電極層が誘電体フィルムを挟んで対向する部分の幅を以下電極幅と呼称する。

そして、電極層１３ａと１４ａが対向する図１のＡで示す電極幅のコンデンサ要素、すなわち図４の等価回路図で示されるコンデンサ要素４１ａが形成され、電極層１４ａと１３ｂが対向するＢで示す電極幅のコンデンサ要素、すなわち図４の等価回路図で示されるコンデンサ要素４１ｂが形成される。

同様に電極層１３ｂと１４ｂが対向するＣで示す電極幅のコンデンサ要素４１ｃ、電極層１４ｂと１３ｃが対向するＤで示す電極幅のコンデンサ要素４１ｄが形成される。

また、誘電体フィルム１１、１２は巻回されているため、誘電体フィルム１１と１２は交互に重なった状態であり、誘電体フィルム１２の上下に誘電体フィルム１１があることになる。

そして誘電体フィルム１２の上の誘電体フィルム１１との間に上記のようにコンデンサ要素４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄが形成され、同様に誘電体フィルム１２と、その下に位置する誘電体フィルム１１との間にコンデンサ要素４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄが形成される。

これらのコンデンサ要素は図４の等価回路図において、例えば４１ａと４２ａのように、電極組の異なるコンデンサ要素が複数個直列に接続された構成となっている。

そして本実施の形態では、各電極層の電極面積と非金属部の設定により、電極層１３ｂと１４ａ、および１３ｂと１４ｂが対向するＢ、Ｃで示した電極幅が、電極層１３ａと１４ａ、および電極層１４ｂと１３ｃが対向するＡ、Ｄで示した電極幅よりも広くなるように構成している。

この構成により、電極層１３ｂと１４ａ間および１３ｂと１４ｂ間に形成される中央部付近のコンデンサ要素４１ｂ、４１ｃ、４２ｂ、４２ｃの静電容量が、電極層１３ａと１４ａ間および１４ｂと１３ｃ間に形成される両端部に近い外側のコンデンサ要素４１a、４２ａ、４１ｄ、４２ｄの静電容量よりも大きくなる。

その結果、中央部付近のコンデンサ要素４１ｂ、４１ｃ、４２ｂ、４２ｃにかかる分担電圧が、外側のコンデンサ要素４１a、４２ａ、４１ｄ、４２ｄにかかる分担電圧よりも低くなる。

例えば、中央部付近のコンデンサ要素４１ｂの静電容量を、外側のコンデンサ要素４１ａの２倍にすると、中央部付近のコンデンサ要素４１ｂにかかる分担電圧は、外側のコンデンサ要素４１ａにかかる分担電圧の半分になる。

このように、中央部付近のコンデンサ要素４１ｂ、４１ｃ、４２ｂ、４２ｃの分担電圧を低くすることにより発熱を抑えることができるため、劣化を抑制することができる。

そして、劣化のトリガーとなる中央部付近のコンデンサ要素４１ｂ、４１ｃ、４２ｂ、４２ｃを劣化しにくくすることにより、直列コンデンサ全体の信頼性を上げることができる。

（実施例１）
図１、図２に示すように誘電体フィルムとしての厚みが６μｍのポリプロピレンフィルム１１の片面に、アルミニウムを蒸着して誘電体フィルム１１の長さ方向に連続した電極層１３ａ、１３ｂ、１３ｃを形成し、同様に厚みが６μｍのポリプロピレンフィルム１２の片面に、電極層１４ａ、１４ｂを形成して２種類の金属化フィルムを得る。

この金属化フィルムを電極層１３ａと１４ａ、１４ａと１３ｂ、１３ｂと１４ｂ、１４ｂと１３ｃがポリプロピレンフィルム１１を介して対向するように重ねて巻回し、両端面に電極引出部１５を設けてフィルムコンデンサとする。

ここで、誘電体フィルム１１の電極層１３ａ、１３ｃの幅を１０ｍｍ、１３ｂの幅を３０ｍｍとし、誘電体フィルム１２の電極層１４ａ、１４ｂの幅を２３ｍｍとした。

また非金属部１５と非金属部１６の幅を５ｍｍとし、非金属部１７の幅を４ｍｍとした。

この構成により対向する電極層間に挟まれた各コンデンサ要素の電極幅としては、外側のコンデンサ要素４１ａ、４２ａ、４１ｄ、４２ｄの電極幅Ａ、Ｄは５ｍｍであり、中央部付近のコンデンサ要素４１ｂ、４２ｂ、４１ｃ、４２ｃの電極幅Ｂ、Ｃは１３ｍｍとなる。

（実施例２）
実施例１における誘電体フィルム１１の電極層１３ａ、１３ｃの幅を１１ｍｍ、１３ｂの幅を２８ｍｍとし、誘電体フィルム１２の電極層１４ａ、１４ｂの電極幅を２１ｍｍとした。

また非金属部１５と非金属部１６の幅を５ｍｍとし、非金属部１７の幅を８ｍｍとした。

実施例２における各コンデンサ要素の電極幅としては、外側のコンデンサ要素４１ａ、４２ａ、４１ｄ、４２ｄの電極幅Ａ、Ｄは６ｍｍであり、中央部付近のコンデンサ要素４１ｂ、４２ｂ、４１ｃ、４２ｃの電極幅Ｂ、Ｃは１０ｍｍとなる。

（実施例３）
実施例１における誘電体フィルム１１の電極層１３ａ、１３ｃの幅を１２ｍｍ、１３ｂの幅を２６ｍｍとし、誘電体フィルム１２の電極層１４ａ、１４ｂの幅を２０ｍｍとした。

また非金属部１５と非金属部１６の幅を５ｍｍとし、非金属部１７の幅を１０ｍｍとした。

実施例３における各コンデンサ要素の有効電極幅としては、外側のコンデンサ要素４１ａ、４２ａ、４１ｄ、４２ｄの電極幅Ａ、Ｄは７ｍｍであり、中央部付近のコンデンサ要素４１ｂ、４２ｂ、４１ｃ、４２ｃの電極幅Ｂ、Ｃは８ｍｍとなる。

（比較例１）
誘電体フィルム１１の電極層１３ａ、１３ｃの幅を１３ｍｍ、１３ｂの幅を２４ｍｍとし、誘電体フィルム１２の電極層１４ａ、１４ｂの幅を２１ｍｍとした。

また非金属部１５と非金属部１６の幅を５ｍｍとし、非金属部１７の幅を８ｍｍとした。

比較例における各コンデンサ要素の電極幅Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄはすべて８ｍｍである。

以上の実施例１〜３、比較例１のフィルムコンデンサ各２０個について、５Ａ〜３０Ａの電流を１０００時間流したときの故障数をカウントした。

これら試作したフィルムコンデンサの定格電流は５Ａであり、その倍の１０Ａまで故障を起こさないことが要望される。

その結果を（表１）に示す。

（表１）の結果より、本実施の形態の実施例１〜３では１０Ａを連続印加した場合でも、故障数は０で、信頼性の高いフィルムコンデンサが得られていることがわかる。

また、実施例１〜３を比較すると、中央部付近のコンデンサ要素４１ｂ、４１ｃ、４２ｂ、４２ｃを形成する電極幅が広い方が、大電流でも故障数が少なく、より大電流に耐えることがわかる。

本実施の形態では、図１に示すように異なる誘電体フィルム１１、１２に電極層を形成した例を示したが、これに限定されるものではなく、図３に示すように誘電体フィルム３１の両面に電極層を設けた両面蒸着金属化フィルムと、電極層を設けていない誘電体フィルム３２とでフィルムコンデンサを構成する場合でも同様の効果が得られる。

図３の構成では、誘電体フィルム３１の片面に一方の電極層３３ａ、３３ｂ、３３ｃを形成し、同じ誘電体フィルム３１の反対側の面に他方の電極層３４ａ、３４ｂを形成しており、図１と同様に電極層３３ａと３４ａ間、３４ａと３３ｂ間、３３ｂと３４ｂ間、３４ｂと３３ｃ間で図４と同様のコンデンサ要素が形成される。

そしてこの図３の場合にも、電極層３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３４ａ、３４ｂの幅と、非金属部３５、３６、３７の幅を調整して中央部付近のコンデンサ要素を構成する電極幅を外側のコンデンサ要素を構成する電極幅より広くすることにより、中央部付近のコンデンサ要素の静電容量を大きくしてその分担電圧を下げ、発熱を抑制することにより信頼性の高いフィルムコンデンサを得ることができる。

本発明のフィルムコンデンサでは、中央部付近のコンデンサ要素を形成する電極幅を外側のコンデンサ要素を形成する電極幅よりも広くしたため、発熱が大きく、劣化しやすい中央部付近のコンデンサ要素にかかる電圧が低減される。これにより中央部付近のコンデンサ要素の劣化が低減され、フィルムコンデンサの信頼性の向上を図ることが可能となるとともに、より大電流にも使用でき、高耐圧用のフィルムコンデンサ等に有用である。

本発明の実施の形態による片面蒸着型金属化フィルムコンデンサの部分断面図 同片面蒸着型金属化フィルムコンデンサの展開斜視図 同両面蒸着型金属化フィルムコンデンサの部分断面図 同金属化フィルムコンデンサの等価回路図 従来の片面蒸着型金属化フィルムコンデンサの部分断面図 従来の金属化フィルムコンデンサの等価回路図

符号の説明

１１、１２ 誘電体フィルム
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ 電極層
１４ａ、１４ｂ 電極層
１５、１６、１７ 非金属部
１８ 電極引出部
３１、３２ 誘電体フィルム
３３ａ、３３ｂ、３３ｃ 電極層
３４ａ、３４ｂ 電極層
３５、３６、３７ 非金属部
４１ａ、４２ａ、４１ｄ、４２ｄ 外側のコンデンサ要素
４１ｂ、４２ｂ、４１ｃ、４２ｃ 中央部付近のコンデンサ要素
５１、５３ 誘電体フィルム
５２ａ、５２ｂ、５２ｃ 電極層
５４ａ、５４ｂ 電極層
６５ａ、６５ｂ、６５ｃ コンデンサ要素
６６ａ、６６ｂ、６６ｃ コンデンサ要素

Claims (1)

1. 長尺状の誘電体フィルムの表面に、長手方向に絶縁された複数の電極層を蒸着した金属化フィルムを巻回または積層して、複数のコンデンサ要素が直列に接続されたフィルムコンデンサにおいて、誘電体フィルムの幅方向中央部付近のコンデンサ要素を構成する電極幅が幅方向外側のコンデンサ要素を構成する電極幅よりも広いことを特徴とするフィルムコンデンサ。

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